任务1.1
认识光纤传输网

任务描述

光纤通信是人类20世纪最伟大的技术发明之一，是互联网、通信网、广播电视网的基础，也是几乎所有网络业务应用的基石。没有光纤通信，再先进的计算机和路由器也只是一个个孤零零的网络节点，无法构成网络。人们所熟知的移动互联网、大数据、云计算、虚拟现实、深度学习都只是空中楼阁。那么，你了解光纤通信的发展吗？你知道光纤传输网在通信网中的地位和功能吗？你知道光纤传输网都有哪些体制标准吗？那么，我们还等什么呢？让我们从这里出发开启光传送网络（Optical Transport Network，OTN）的大门吧！

任务目标

·能阐述光纤通信的发展历程及重要科研技术领军人物。

·能够知道、理解光纤传输网在通信网的地位和功能。

·能掌握历代光传输网的概念、体制标准、传输性能及特点。

1.1.1 光传输网的产生与发展

1.光通信的产生

光通信可以说是一门既非常古老又较新的技术。在中国和西方古代典籍中，有许多关于用光来发送信号、传递信息的记载。西汉史学家司马迁的《史记》中记载，春秋战国时期，列国为了争霸，互相防守，开始修建万里长城，抵御外敌入侵。当有外敌入侵时，可以点燃烽火台的狼烟，如图1-1所示，一座座烽火狼烟点起，外敌入侵的消息在一炷香的时间就从边关传送到都城，为抵御外敌的入侵提供了及时的消息。

在西方也有类似的记载，约公元前300年，在埃及亚历山大港的法罗斯岛上，托罗密王朝法老托罗密二世建造了亚历山大法罗斯灯塔，利用灯塔光进行通信，如图1-2所示。据说它的高度达到150m，灯光在数百米外都能看见，这是古代世界七大奇迹之一。

这些古代和现代的光通信有一个共同的特点就是用可见光作为信号，在大气中直接传输信号。显然，这在实际应用中会受到很多限制，如很难找到合适的信号源，树木、建筑物的遮挡，强烈的太阳辐射，以及无法避免雨、雪、雾等天气因素。所以严格来说，上述这些都不能称之为真正意义上的光通信。

真正意义上的光通信必须解决两个最基本的问题： 一是必须有稳定、低损耗的传输介质；二是必须有高强度、可靠的光源。

2.光纤通信的产生

光纤通信的产生历程如图1-3所示，1958年阿瑟·伦纳德·肖洛与查尔斯·哈德·汤斯揭示激光器工作原理之后，1960年美国科学家梅曼率先研制出红宝石激光器，该激光器可以作为光纤通信理想的光源。后来又发明了氦氖激光器、二氧化碳激光器等。

1966年，美籍华人高锟和霍克哈姆发表论文，率先提出可以用提纯的石英玻璃纤维（即光导纤维，简称光纤）作为光通信的介质，并且预见低损耗光纤可用于通信，为真正意义的光通信奠定了重要的基础，高锟也因此获得了2009年的诺贝尔物理学奖。

1970年，康宁公司根据高锟的提纯建议研制出了损耗约为20dB/km的石英系多模光纤，使光纤作为通信的传输介质成为现实。

至此，真正意义的光通信的两个最基本问题已完全解决。

1976年，日本把光纤的损耗降低到0.47dB/km，同年，美国首先成功地进行了系统容量为44.736Mbit/s、传输距离为10km的光纤通信系统现场试验。

而我国也在1979年拉制出第一根损耗为0.2dB/km的光纤，1990年光纤的损耗已经降低至0.14dB/km，已接近于光纤损耗的理论极限值。

3.光传输网的发展

1972年，国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）的前身国际电报电话咨询委员会（CCITT）提出了第一批准同步数字体系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）建议。

1988年，国际电信组织通过了第一批同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）建议。1990年以后，SDH成为光纤通信的基本传输方式。

21世纪初期，短信、彩信、电子商务、实时视频等多种IP业务快速发展，促使基于SDH的多业务传送平台（Multi-Service Transport Platform，MSTP）在2002年诞生。

21世纪，波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）被广泛建设和使用。WDM解决了PDH、SDH和MSTP的资源浪费问题。数字电视、远程会议、网络直播等业务遍地开花，这些新兴业务对传输网络的带宽及可靠性都有了更高的要求。相对于WDM技术，光传送网络（OTN）能提供更大的带宽、更可靠的传输。

1.1.2 光传输网在通信网中的位置与功能

传输网在通信网中的位置如图1-4所示。

从图1-4可以看出，传输网是由传输节点设备和传输介质共同构成的网络，位于交换节点之间，其作用是服务于各业务网和电信支持网，对业务进行安全、长距离、大容量传输。目前世界各地的传输网主要通过光纤通信来搭建。

传输网是一个庞大而复杂的网络，为便于网络的管理与规划，必须将传输网划分成若干个相对分离的部分。通常传输网按其地域覆盖范围的不同，可以划分为国际传输网、国内省际长途传输网（一级干线）、省内长途传输网（二级干线）和城域网。城域网根据传输节点所在位置及业务传送能力，习惯上划分为核心层、汇聚层、接入层，如图1-5所示。

核心层 主要连接移动业务网各交换局、网关局、数据业务核心节点，主要解决本地交换局的局间中继电路需求、干线网中继电路需求和城域汇聚层各种汇聚电路到交换局和次中心数据节点的接入电路需求。

汇聚层 连接移动业务网内分散节点的基站控制中心（如BSC、RNC）、县区基站传输中心节点、数据宽带业务汇聚节点，主要用于语音、数据宽带、多媒体等业务的汇聚。

接入层 为各种业务提供接口，连接移动业务网的基站（如BTS、Node B）、宽带多媒体用户、专线业务、语音或传真、综合大楼用户业务的接入和传输。

1.1.3 各种光传输网的概念、体制标准与传输性能

光传输网发展经历了准同步数字传输体制（PDH）、同步数字体系（SDH）、多业务传送平台（MSTP）、波分复用（WDM）、分组传送网（Packet Transport Network，PTN）、光传送网络（OTN）及第五代固定网络（The 5th Generation Fixed Networks，F5G）等技术的发展和革新。

1.PDH传输网

ITU-T推荐了国际上两大PDH标准，即PCM 24路系列和PCM 30/32路系列两种数字复接标准。美国和日本的一次群采用1.544Mbit/s PCM24路系列，且略有不同。欧洲和中国的一次群采用2.048Mbit/s PCM 30/32路系列，见表1-1。

PDH传输网可以传输语音电话、可视电话、彩色电视、传真及电报等业务。但是它存在以下几个方面的缺陷。

（1）接口方面

PDH没有统一的电接口标准，也没有统一的光接口标准。不同厂家同一速率等级的光接口码型和速率也不同，致使不同厂家的设备无法实现横向兼容，在同一传输线路上必须采用同一厂家的设备，给组网、管理及网络互通带来困难。

（2）复用方式

PDH采用异步复用方式，当低速信号复用进高速信号时，低速信号在高速信号的帧结构中的位置没有规律和固定性，导致从高速信号分插出低速信号产生较大损伤，使传输性能劣化，在传输大容量业务时，此缺陷尤为严重，该缺点无法容忍。

（3）运行维护

PDH信号的帧结构中用于运行维护的开销字节较少，对完成传输网的分层管理、性能监视、业务调度、传输带宽的控制、故障告警分析的定位能力较弱。

（4）网管接口

PDH传输体制没有世界统一的网管接口，各个厂家开发的PDH网管系统只能够管理自家的PDH设备和网络。

2.SDH传输网

SDH从诞生到今天，技术非常成熟，应用十分广泛。SDH传输体制是由PDH进化而来的，与PDH相比在技术上进行了根本性的变革，它具有PDH无法比拟的优势。

（1）SDH的优势

1）接口方面。SDH具有世界统一的电接口规范和光接口规范。SDH传输体制具有世界统一的速率标准，即标准的速率等级。SDH复接系列的常见速率等级如下：

·同步传送模块1（STM-1，基本模块）：1920个中继话路，速率为155.520Mbit/s。

·同步传送模块4（STM-4）：7680个中继话路，速率为622.080Mbit/s。

·同步传送模块16（STM-16）：30720个中继话路，速率为2488.320Mbit/s，约为2.5Gbit/s。

·同步传送模块64（STM-64）：122880个中继话路，速率为9953.280Mbit/s，约为10Gbit/s。

2）复用方式。SDH传输体制采用同步复用方式，低速的信号向高一级信号复用的基数都是4，即4路STM-1通过字节间插复用，复用进一路STM-4。这样就使低速SDH信号在高速SDH信号帧中的位置是固定、有规律的，也就是说是可以预见的，从而使得大容量传输时更容易从高速的信号中复用和解复用出低速信号，所以SDH传输体制特别适合高速率、大容量业务的传输。

3）运行维护。SDH信号的帧中定义了大量的用于运行维护的开销字节，大大增强了传输网络的运行维护能力，使网络具备自愈功能，从而节省了大量的网络运维成本。

4）兼容性。SDH可兼容世界两大PDH传输体制，并且各个生产厂商的标准统一，各种SDH设备也可以兼容互联，这也就意味着当组建SDH传输网时，原有PDH传输网不会报废，各个厂家的设备及两种传输网可以共同组网。

（2）SDH的缺点

SDH传输体制存在以下几方面的缺点。

1）SDH频带利用率较低。SDH信号的帧中加入了大量的开销字节，虽然可靠性提高很大，但是相应的有效性就会降低。

2）指针调制机理复杂。SDH传输体制可以从高速的STM-N信号中直接分出低速信号（如2Mbit/s信号），省去了多级复用和解复用过程，这种功能的实现是通过指针机理完成的，但是指针功能的实现增加了系统的复杂性。

3）软件的大量使用对系统的安全性影响较大。SDH具有操作维护管理（Operation Admin-istration and Maintenance，OAM）的智能性，这也就意味着软件在系统运行中占有相当大的比重，导致计算机病毒很容易侵害到传输系统。

3.多业务传送平台（MSTP）

随着3G移动多媒体业务（图像，视频）的需求不断增加，出现了MSTP。MSTP是指基于SDH、同时实现时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）、异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）、互联网协议（Internet Protocol，IP）等业务接入、处理和传送，提供统一网关的多业务传送平台。MSTP具有接口种类多，支持多业务接入，承前启后，实现网络平滑过渡，业务保护能力强大，带宽利用率高，网络管理能力智能化等优势，在2001—2006年，得到了电信运营商大规模的应用。但由于MSTP基于SDH的刚性管道本质，使其对以太网业务的突发性和统计特性依然存在一定的缺陷，如带宽不能随着业务的需求灵活调整，服务质量（QoS）较弱等。

4.WDM传输网

光纤的传输带宽范围很大，其传输容量也极大，而以上讨论的这些光传输系统都是在一根光纤中传输一路光信号，实际上只是用了光纤传输带宽的极少一部分。为了充分利用光纤巨大的带宽资源，增加传输容量，新一代的光纤通信技术WDM应运而生。

WDM是指把不同波长的光载波信号复用到同一根光纤中进行传送，它具有以下优点：

1）超大容量、超长距离传输。

2）对数据的“透明”传输。

3）系统升级时能最大限度地保护已有投资。

4）高度的组网灵活性、经济性和可靠性。

5）可兼容全光交换。

虽然WDM系统具有以上优点，但在实现过程中，由于光纤的物理性质，除了色散效应外，相邻信道之间信号相互影响，非线性效应对其影响严重，并且WDM系统的波长/子波长业务调度能力差、保护能力弱。

5.分组传送网（PTN）

PTN是多协议标签交换（IP/MPLS）、以太网和传送网三种技术相结合的产物，它保留了这三种技术中的优势技术，PTN向着网络的IP化、智能化、宽带化、扁平化的方向发展，并以分组业务为核心、增加独立的控制面，以提高传送效率的方式拓展有效带宽、支持统一的多业务提供。PTN继承了SDH的传统优势，主要体现在以下几点。

1）多业务承载：无线回传的TDM/ATM及以太网业务、企事业单位和家庭用户的以太网业务。

2）业务模型：城域的业务流向大多是从业务接入节点到核心/汇聚层的业务控制和交换节点，为点到点（P2P）和点到多点（P2MP）汇聚模型，业务路由相对确定，因此中间节点不需要路由功能。

3）QoS保障：能够保证TDM/ATM和高等级数据业务低时延、低抖动和高带宽需求，而宽带数据业务峰值流量大且突发性强，PTN同时具备流分类、带宽管理、优先级调度和拥塞控制等QoS能力。

4）电信级可靠性：PTN具有可靠、面向连接的电信级承载，提供端到端的运行、管理、维护能力和网络保护能力。

5）网络扩展性：在城域范围内业务分布密集且广泛，PTN能够满足较强的网络扩展性。

6）总拥有成本（TCO）控制：也就是其相比MSTP最大的优势，降低单位字节的造价，即其业务带宽调整颗粒最小可达bit级，相对应MSTP的VC12降低了单位带宽的造价。

6.光传送网络（OTN）

OTN是由一组通过光纤链路连接在一起的光网元组成的网络，能够提供基于光通道客户信号的传送、复用、路由、管理、监控及保护等功能。OTN是以波分复用技术为基础，在光层组织网络的传送网，主要应用在骨干传送网，约2003年开始正式商用。OTN解决了传统WDM系统的波长/子波长业务调度能力差、组网能力弱、保护能力弱等问题。OTN处理的基本对象是波长级业务，它将传送网推进到真正的多波长光网络阶段。

1）由于结合了光域和电域处理的优势，与传统的SDH和同步光网络（SONET）设备相比，OTN具有以下优势：

·满足数据带宽爆炸性的增长需求。

·通过波分功能满足每光纤Tbit/s的传送带宽需求。

·提供2.7Gbit/s、10.7Gbit/s、43Gbit/s甚至111.8Gbit/s的高速接口。

·提供多达6级嵌套重叠的子层监控（TCM）连接监视。

·支持灵活的网络调度能力和组网保护能力。

·支持虚级联传送方式，以完善和优化网络结构。

·提供强大的带外前向纠错（FEC）功能，有效地保证了线路传送性能。

·异步映射消除了全网同步的限制，更强的FEC能力，简化系统设计。

2）相对于传统WDM，OTN具有以下优势：

·有效的监视能力：运行、管理、维护和保障系统（OAM&P）和网络生存能力。

·灵活的光/电层调度能力和电信级、可管理、可运营的组网能力。

7.第五代固定网络（F5G）

F5G也称为F5G全光网，是指以超高带宽、超低时延、高稳定全光纤连接为主要特点的第五代固定网络技术，即光纤宽带，包含千兆带宽接入网络和全光传送网络的新一代固定通信网络技术，以高品质专线助力家庭、企业、学校、医院等室内固网光纤宽带业务。F5G凭借无源光网络（10G PON）、WiFi 6、200G/400G、光交叉连接（OXC）、下一代光传送网（NG OTN）技术使其具有FFC（全光纤连接）、增强型固定宽带（eFBB）、可保障品质体验（GRE）三大关键功能特点。简而言之，F5G具有确定性的大带宽、大量连接、低延迟和零丢包的特点，并且可以通过广泛的覆盖范围提供高质量的网络连接服务。F5G在连接容量、带宽和用户体验三个方面均有飞跃式提升，凭借超高带宽、超低延迟、安全可靠等特性，推动了超高清高质量视频、云化虚拟现实（云VR）、云游戏的快速发展。相对于当下5G技术被大众所熟知，F5G却是一个新的名词。F5G是继千兆WiFi、云VR之后的新兴技术，与5G技术互为补充，搭建出覆盖固定和移动网络的更为全面的数字经济应用场景。在此基础上，5G/F5G进一步释放信息技术算力，夯实5G/F5G新基建，带动数字经济新动能。因其部分技术和网络的相通性，使得F5G与5G能够有效协同，互为补充，提升用户网络体验。

1.1.4 习题

一、填空题

1.PDH复接系列主要包括__________、__________、__________、__________速率等级。

2.SDH复接系列的基本模块是__________，其速率大小为__________。

3.WDM是指__________，主要应用在传输网络的__________层。

4.PTN的中文名称是__________，它结合了__________、__________、__________三类产品中的优势技术，成为当前城域传输网的主要承载设备。

5.移动回传网（backhaul）通常是指移动通信网络中__________到__________的传输链路。

6.OTN是由一组通过光纤链路连接在一起的光网元组成的网络，能够提供基于__________客户信号的传送、__________、路由、管理、__________及保护等功能。

7.F5G的中文全称是__________，也称为F5G全光网，F5G凭借10G PON、WiFi 6、200G/400G、OXC、NG OTN技术使其具有__________、__________、__________三大关键功能特点。

二、简答题

1.简述SDH和MSTP主要的传输性能优势及两者的差异。

2.简述OTN和WDM主要的传输性能优势及两者的差异。

3.PTN技术的特点有哪些？ FIxFIG8C/MDYmme2EcC0tbsL+4sqAObSq1FLV67r8feqw+XoGNgprCRLwUADAPMy